边坡开挖对下卧铁路隧道影响的数值分析

杨耀

(长沙城市发展集团有限公司， 湖南 长沙 410011)

为缓解日趋严峻的交通压力，邻近隧道施工的新建市政道路和道路拼宽改建工程逐渐增多。新建构筑物与相邻既有隧道之间发生相互作用，会造成既有隧道结构周围土体应力重分布，这种作用取决于构筑物与隧道之间的位置关系、新建构筑物的规模、施工方法和既有隧道的结构状况、健全度等因素。该文对某国道边坡开挖上跨铁路隧道工程进行三维有限元分析，动态模拟边坡开挖的分层放坡施工过程，对既有铁路隧道的变形特性及内力分布进行预判，对边坡开挖施工提出建议。

1 工程概况

该工程现状道路断面宽24.5 m，为双向四车道一级公路，沥青路面，路面标高约38 m。位于山体的半山腰，采用半填半挖防护形式。西侧为自然山体，山顶高程约90 m，老路西侧边缘采用挖方形式，挖方边坡高度约10 m、坡度约90°。改建后采用38 m路基断面，边坡采用阶梯式放坡开挖，开挖最大高度约38.7 m(见图1)。

图1 边坡开挖横断面(单位：m)

隧道长1.2 km，高约8.25 m，跨度5.9 m，衬砌厚0.5 m。隧道与老路东侧边缘平面距离约13 m，山体开挖对隧道平面影响范围距洞口0～130 m，影响范围内隧道埋深10～36 m，Ⅳ级围岩。入口处隧道断面结构形式见图2。

图2 隧道横断面(单位：cm)

2 边坡开挖对隧道结构影响的仿真模拟

山体开挖对既有隧道结构的影响是个典型的三维问题。为从整体上把握开挖过程中隧道结构的不均匀变形及附加内力，考虑隧道结构与围岩的相互作用并模拟山体开挖过程，结合工程地质条件及边坡施工方案，选用有限元软件MIDAS/GTS建立三维数值计算模型，分析边坡施工对既有隧道的影响。

2.1 模型参数

根据工程地质资料，按围岩级别综合考虑，该项目涉及的围岩物理力学参数见表1。该隧道建成于1961年，已运营很长时间，对隧道衬砌砼强度采用回弹法进行检测，衬砌砼材料的物理力学参数见表2。计算模型的边界约束为：模型底部约束Z方向，左右两侧约束X方向，前后约束Y方向。

表1 地层的物理力学参数

表2 衬砌结构的物理力学参数

2.2 模型假定

(1) 地层土体本构模型采用莫尔-库伦弹塑性模型，隧道衬砌结构采用线弹性模型。

(2) 采用三维实体模拟岩土体，隧道衬砌结构采用板壳单元模拟。

(3) 因隧道服役时间较长，计算时不考虑初期支护的作用；从偏安全角度考虑，边坡开挖后不考虑边坡支护作用。

(4) 隧道开挖应力释放40%，衬砌施作应力释放60%，即衬砌结构承担60%的围岩压力。

2.3 施工过程模拟

三维动态施工模拟主要流程：1) 计算场地初始地应力场；2) 隧道开挖(应力释放40%)；3) 施作二次衬砌(应力释放60%)；3) 从上至下分层分块开挖边坡土体，边坡土体根据放坡级数共分为4层，每级开挖高度沿道路方向变化，最大为10 m；4) 边坡开挖完成后，施加汽车荷载，采用公路-Ⅰ级、六车道加载，冲击系数取1.3。

2.4 有限元模型

山体边坡开挖长度约120 m，局部开挖宽度约48 m，为涵盖整个开挖区域，模型范围取水平方向120 m、纵向183 m，竖向取至地表，隧道以下部分取至隧道底部以下33 m。计算模型见图3～5。

图3 计算模型整体网格

2.5 数值模拟结果分析

从山体边坡放坡开挖引起的整体变形、隧道衬砌结构变形和受力等方面进行分析。

2.5.1 模型整体位移分析

图6为山体边坡开挖完成后边坡周边整体竖向位移云图，图7为开挖完成后新增汽车荷载时整体竖向位移云图。

图4 边坡放坡开挖后模型

图5 隧道衬砌模型及与边坡的位置关系

由图6、图7可知：山体边坡开挖卸荷引起坡面和坡底土体出现一定隆起变形，随着开挖卸荷规模的增大，隆起变形值逐渐增大。但总体而言隆起变形不大，从第1层土体开挖到边坡开挖完成，最大隆起变形为7.4 mm。开挖完成新增汽车荷载作用后，隆起变形变为7.3 mm，减少0.1 mm。

图6 开挖完成时边坡竖向位移云图(单位：mm)

图7 新增汽车荷载时边坡竖向位移云图(单位：mm)

2.5.2 隧道衬砌结构变形分析

图8为开挖完成后隧道衬砌结构竖向变形云图，图9为开挖完成后新增汽车荷载时隧道衬砌结构竖向变形云图，图10为不同开挖阶段隧道拱顶沿线竖向位移变化曲线。

图8 开挖结束时衬砌结构竖向变形云图(单位：mm)

图9 新增汽车荷载时衬砌结构竖向变形云图(单位：mm)

图10 隧道衬砌结构隆起变形曲线

由图8～10可知：1) 边坡土体开挖造成隧道覆土减薄，发生竖向卸荷，导致隧道结构产生以竖向隆起位移为主的变形。2) 随着边坡开挖逐渐下移，即开挖范围和深度的增加，隆起变形逐渐加大，边坡开挖完成时衬砌位移达到最大，最大竖向位移为3.5 mm。3) 新增汽车荷载后，隧道最大竖向位移变为3.4 mm，减少0.13 mm。可见，汽车荷载的影响相当于覆土压重，可减少隧道衬砌结构隆起变形。4) 总体而言，边坡开挖引起的隧道衬砌结构变形较小。

2.5.3 隧道衬砌结构内力分析

图11、图12分别为模型60 m处衬砌结构典型断面的轴力和弯矩，表3为边坡开挖过程中隧道衬砌内力变化量。衬砌内力变化取为绝对值(内力变化=|衬砌初始内力-开挖i步衬砌内力|)，以便对比开挖前后内力差异，分析内力增量。

图11 典型断面衬砌轴力(单位：kN)

图12 典型断面衬砌弯矩(单位：kN·m)

表3 边坡开挖期间隧道衬砌内力变化(绝对值)

由图11、图12、表3可知：1) 边坡开挖前，隧道衬砌结构X方向轴力最大值为-1 057.3 kN，弯矩最大值为123.3 kN·m；边坡开挖结束时，隧道衬砌结构X方向轴力最大值为-1 015.7 kN，弯矩最大值为118.6 kN·m，比开挖前分别减小41.6 kN、4.7 kN·m，轴力减小幅度大于弯矩，使隧道受力偏心距增大，对结构不利。边坡开挖前，Y方向轴力最大值为-529.6 kN，弯矩最大值为-20.4 kN·m；边坡开挖结束时，隧道衬砌结构Y方向轴力最大值为-553.0 kN，弯矩最大值为-34.1 kN·m，比开挖前分别增加24 kN、13.7 kN·m。隧道轴线方向的不均匀变形使隧道沿轴线方向内力增加，但增幅不大。2) 边坡开挖前后，X方向轴力最大变化量达687.3 kN，弯矩最大变化值为51.4 kN·m；Y方向轴力最大变化量达409.3 kN，弯矩最大变化值为24.9 kN·m。由于边坡开挖卸载，隧道衬砌结构内力变化明显。3) 新增汽车荷载与无汽车荷载作用时相比，隧道衬砌X方向轴力最大变化量为32.6 kN，弯矩最大变化值为2.3 kN·m；Y方向轴力最大变化量达20.5 kN，弯矩最大变化值为1.1 kN·m，为施工期间衬砌内力最大变化量的4%～5%。由于应力扩散作用，汽车荷载对衬砌结构内力的影响较小。4) 从60 m横断面处的隧道内力来看，随着边坡开挖卸荷范围和规模的增大，隧道衬砌结构受力状态和内力分布形态均发生变化，其中拱部所受影响最大。

2.5.4 隧道衬砌结构主应力分析

表4、表5分别为边坡开挖过程中隧道衬砌主应力和主应力变化量。衬砌主应力变化取绝对值(应力变化=|衬砌初始应力-开挖i步衬砌应力|)，以便讨论开挖前后应力差异，分析应力增量。

表4 边坡开挖期间隧道衬砌主应力最大值 kPa

表5 边坡开挖期间隧道衬砌主应力变化(绝对值) kPa

由表4、表5可知：1) 边坡开挖前，隧道衬砌结构第一主应力最大值为1.15 MPa，边坡开挖结束时变为1.48 MPa，比开挖前增加0.33 MPa，增幅最大部位位于距洞口67.3 m处。既有隧道老旧，现场观察发现其衬砌砼状况尚可；现场回弹试验结果显示衬砌砼强度等级约为C18，则其极限抗拉强度为1.6 MPa，边坡开挖结束时衬砌最大拉应力值未超过其抗拉强度极限值。根据以往经验，对于Ⅳ和Ⅴ级围岩，岩体力学方法(数值计算)计算结果比荷载-结构法计算结果大。此外，参考公路隧道结构计算经验及设计规范，对于Ⅳ级围岩地段，二次衬砌承担20%～40%的应力释放荷载，而该项目取为60%的应力释放荷载。从这些角度来看，计算所得结论偏于保守。2) 边坡开挖前，隧道衬砌结构第三主应力最大值为-4.8 MPa，边坡开挖结束时变为-4.49 MPa，比开挖前减少0.31 MPa。但总体而言，衬砌受到的压应力不大，远小于其抗压强度。3) 边坡开挖前后，隧道衬砌结构第一主应力最大变化量达0.88 MPa，第三主应力最大变化量达2.06 MPa。由于边坡开挖卸载，隧道衬砌结构主应力变化明显，与衬砌内力变化趋势一致。4) 新增汽车荷载与无汽车荷载作用时相比，隧道衬砌第一主应力最大变化量为0.064 MPa，第三主应力最大变化量为0.12 MPa，分别为施工期间应力最大变化量的7.3%和5.7%。由于应力扩散作用，汽车荷载对衬砌结构主应力的影响较小。

3 结论

综合分析该改建工程的相关资料，结合山体边坡开挖情况、下卧隧道结构特点，采用三维数值计算方法进行边坡开挖对隧道结构影响分析。根据计算结果，边坡放坡开挖施工对既有隧道有一定影响，在不进行边坡支护、地层加固或隧道结构补强加固的情况下，衬砌结构所受最大拉应力较接近砼极限抗拉强度，结构安全储备不够。主要结论如下：1) 山体边坡开挖卸荷引起坡底土体出现一定隆起变形，整个开挖过程中土体最大隆起变形为7.4 mm。2) 边坡土体开挖引起的隧道变形以竖向隆起位移为主，最大竖向位移为3.5 mm。总体而言，边坡开挖引起的隧道衬砌结构变形较小。3) 由于边坡开挖卸载，隧道衬砌结构受力状态和内力分布形态均发生明显变化。总体而言，隧道衬砌横向内力减少、纵向内力增加。4) 边坡开挖前后，隧道衬砌第一主应力和第三主应力变化量最大分别达0.88、2.06 MPa，边坡开挖卸载导致隧道衬砌结构主应力发生明显变化。在整个边坡开挖过程中，隧道衬砌结构的最大拉应力和最大压应力均未达到其材料极限强度，但结构的抗拉强度富裕量不大，施工中应密切关注隧道衬砌结构的变形与受力变化。5) 由于应力扩散作用及地表荷载引起地层附加应力随深度逐渐减小，新增汽车荷载对隧道衬砌结构受力和变形的影响较小。

根据紧邻隧道开挖工程案例，结合该项目边坡开挖工程特点及既有隧道结构特点进行分析，边坡开挖施工对隧道结构的主要影响体现在：因隧道上部开挖，土压被解除，会导致垂直荷载减少、侧压增大、拱顶向上变形；隧道埋深减少，会损伤原有卸荷拱作用；边坡开挖卸荷会造成隧道发生隆起变形，且存在不对称情况，可能使衬砌结构处于偏压状态，远离开挖处的隧道结构受到的影响较小，从而使隧道结构产生纵向不均匀变形和附加内力，影响隧道结构的使用安全。